機(jī)械加工表面完整性研究

張華

摘 要：表面完整性是描述、鑒定和控制加工過程在零件表面層內(nèi)可能產(chǎn)生的各種變化及其對(duì)零件使用性能影響的技術(shù)。文章著眼于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法及其與表面完整性的關(guān)系，闡述了提高表面完整性的加工方法及注意事項(xiàng)，以滿足當(dāng)前的抗疲勞制造要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工；表面；完整性

前言

疲勞準(zhǔn)則是航空零部件設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，疲勞性能是航空零件使用可靠性及壽命的決定性因素。在零件結(jié)構(gòu)尺寸和材料性能一定的情況下，機(jī)械加工表面質(zhì)量又是影響零件疲勞壽命的關(guān)鍵因素。航空零件斷裂故障的晶相分析或斷口分析表明，無論是動(dòng)載疲勞斷裂還是靜載延遲斷裂，其主要原因主要是加工表面層狀態(tài)不良。

為保證零件長(zhǎng)壽命使用，六十年代中期美國率先提出了切削加工零件表面完整性的概念，將已加工的表面質(zhì)量稱為表面完整性。隨著航空制造業(yè)的發(fā)展及新興材料使用的增加，表面完整性內(nèi)容更為豐富，以致傳統(tǒng)工藝切削加工的零件表面完整性的研究工作顯得尤為重要。文章著眼于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法及其與表面完整性的關(guān)系，闡述了提高表面完整性的加工方法及注意事項(xiàng)，以滿足當(dāng)前的抗疲勞制造要求。

1 表面完整性概念及機(jī)制

1.1 表面完整性概念

表面完整性是描述、鑒定和控制加工過程在零件表面及次表面內(nèi)可能產(chǎn)生的各種變化及其對(duì)零件使用性能影響的技術(shù)。從廣義上講，表面完整性包括兩個(gè)組成部分：（1）與零件表面紋理有關(guān)的部分，稱為外部效應(yīng)：其中包括表面粗糙度、波紋度、刀紋方向和宏觀缺陷。粗糙度算術(shù)平均值Ra是表面紋理構(gòu)型要素中最主要的表征參數(shù)。（2）與表面冶金層冶金物理特性變化有關(guān)的部分，即內(nèi)部效應(yīng)：其中包括顯微結(jié)構(gòu)變化：再結(jié)晶、晶間腐蝕、熱影響區(qū)、顯微裂紋、硬度變化、殘余應(yīng)力、材料非同質(zhì)性和合金貧化等。表面完整性技術(shù)把零件制造中的尺寸公差、表面紋理和冶金物理變化綜合協(xié)調(diào)考慮，能使零件表面層不受（或少受）損傷甚至有所改善，從而有效地提高零件產(chǎn)品的使用壽命。

1.2 表面完整性的形成機(jī)制

零件機(jī)械加工表面由多種要素及屬性構(gòu)成，如表面微觀形貌、晶相結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性等。零件表面質(zhì)量的形成與機(jī)械加工過程中的三種效應(yīng)密切相關(guān)，即力學(xué)效應(yīng)。熱效應(yīng)與化學(xué)效應(yīng)。化學(xué)機(jī)制形成的表面會(huì)有化學(xué)變化和腐蝕等表面特征；機(jī)械、熱機(jī)制形成的表面會(huì)有殘余應(yīng)力、堆積、重疊、褶皺、塑形變形等特征，熱機(jī)制表面會(huì)有晶相轉(zhuǎn)化和裂紋等特征。零件表面狀態(tài)的形成往往是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，不同的加工方法中某種機(jī)制的參與能量是不同的，不同的能量值決定了某種機(jī)制在表面形成過程中的主導(dǎo)或輔助地位。研究表明，高能量的輸入會(huì)導(dǎo)致晶相破壞可能性的增加，從而導(dǎo)致表面完整性惡化。由此可見，加工過程中降低能量的輸入，有利于表面完整性的提升，這也為合理選擇加工方法提供了理論依據(jù)。

1.3 表面完整性對(duì)零件使用性能的影響

表面紋理、加工硬化和殘余應(yīng)力等對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響往往是綜合起作用的，其單項(xiàng)效應(yīng)的影響，在不同條件下有利弊兩重性。晶間腐蝕、有害的金相組織和機(jī)械損傷對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響都是有害的，一般都會(huì)造成疲勞破壞源，其中機(jī)械損傷對(duì)高應(yīng)力的影響尤為突出，會(huì)造成嚴(yán)重的事故。表面層特性與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系比較復(fù)雜，因?yàn)椴牧稀⒓庸し椒ā⒓庸つ芰俊⒊惺艿膽?yīng)力以及周圍環(huán)境中液體和氣體間的不同組合情況是不確定的，只能針對(duì)各種應(yīng)用的具體情況進(jìn)行充分試驗(yàn)，然后再確定評(píng)定的程序。

1.4 加工硬化和殘余應(yīng)力

加工硬化和殘余應(yīng)力形成原因主要是工件表面的塑形變形、熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。

工件表面層材料在經(jīng)過第三變形區(qū)時(shí)，收到后刀面的擠壓和摩擦拉伸，發(fā)生了塑形變形，使金屬的晶格扭曲而強(qiáng)化，同時(shí)金屬在塑形變形后體積增大，但由于內(nèi)層未變形材料的阻礙，是表層內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。由于熱應(yīng)力，切削時(shí)工件表層在切削溫度的作用下受熱膨脹，切削后表層冷卻快，收縮時(shí)收到內(nèi)層材料的阻礙，使表層內(nèi)產(chǎn)生殘留拉應(yīng)力。當(dāng)切削溫度高于工件材料的相變溫度時(shí)，表層材料的組織會(huì)發(fā)生相變，不同組織的比容不同，從而形成組織應(yīng)力。

2 工藝方法與表面完整性

不同的加工方法產(chǎn)生不同的表面紋理構(gòu)形，表面紋理構(gòu)形包含了所用加工方法的某些特征。常規(guī)的機(jī)械加工一般會(huì)在表面層產(chǎn)生加工硬化、殘余應(yīng)力和由于刀具積屑瘤引起的皺折、撕裂以及刀痕一類的機(jī)械損傷；磨削加工會(huì)產(chǎn)生燒傷和裂紋；電解和化學(xué)加工可能使表面產(chǎn)生晶間腐蝕和選擇性浸蝕。電火花、電子束和激光束加工會(huì)使表面形成重熔金屬的沉積層。對(duì)于某些淬硬鋼、馬氏體高強(qiáng)鋼、常規(guī)加工和特種加工都可能產(chǎn)生回火馬氏體和過回火馬氏體等有害晶相組織。

2.1 磨削與表面完整性

在零件磨削過程中存在很多影響工件表層特征的參數(shù)。例如：砂輪類型、修整砂輪的方法、砂輪速度、工作臺(tái)速度、橫向和向下進(jìn)給率以及磨削液等。

砂輪的修整過程（主要包括修整深度和修整進(jìn)給）是影響砂輪的有效形貌的重要因素，也是影響零件表面最終狀態(tài)的重要因素。如果砂輪在磨削前能夠及時(shí)得到修整，磨削后的零件表面紋理主要取決于磨削條件，砂輪類型和砂輪修整方法。

2.2 車、鏜削與表面完整性

車削與鏜削后的零件表面粗糙度和尺寸精度受進(jìn)給速度/刀尖圓弧半徑尺寸、進(jìn)給率、加工穩(wěn)定性、工件及工裝夾緊狀態(tài)等加工條件的影響。在采用小進(jìn)給率的精加工過程中，切削刃狀態(tài)與其刀尖圓弧半徑是獲得光滑加工表面的關(guān)鍵因素。

2.3 銑削與表面完整性

銑削是多刃切削的典型。多刃回轉(zhuǎn)刀具的最大特點(diǎn)是難以消除刀齒的徑向跳動(dòng)，這是由磨刀誤差、刀桿彎曲、刀具與主軸軸線不重合等原因造成的。刀齒徑向跳動(dòng)造成刀齒負(fù)荷不一致、磨損不均勻，也直接影響加工表面粗糙度。斷屑切削會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生沖擊，加工過程中，刀具會(huì)經(jīng)受周期性的溫度驟變，產(chǎn)生熱沖擊，刀片在這種情況下，容易產(chǎn)生裂紋和磨損。

3 結(jié)束語

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的更新?lián)Q代，提高零部件的表面完整性已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的熱門話題，近年來國內(nèi)航空行業(yè)也正在開展表面完整性研究。為適應(yīng)航空制造業(yè)的發(fā)展需要，應(yīng)從思想上改變過去那種只限零件外形和表面粗糙度控制機(jī)械加工的質(zhì)量檢驗(yàn)和片面追求生產(chǎn)效率的觀念，而注重工藝加工過程中嚴(yán)格控制表面完整性。